第三章 振動信號測取技術(shù)(一)

1、 第二章機械振動及信號在冶金、化工、機械等企業(yè)中旋轉(zhuǎn)機械設(shè)備約占80%,這些旋轉(zhuǎn)設(shè)備主要包括發(fā)電機、電動機、透平制氧機、鼓風(fēng)機、大型軋鋼機等,在眾多的診斷技術(shù)中,沒有任何技術(shù)能比振動信號分析對機器設(shè)備狀況提供更深刻的了解。另外,由于旋轉(zhuǎn)機械設(shè)備在運行中易出現(xiàn)不對中或受外力作用而產(chǎn)生振動的現(xiàn)象,其大小與安裝質(zhì)量和使用中的故障有直接關(guān)系。由此可見,振動分析及測量在診斷旋轉(zhuǎn)機械中有著重要的地位。一般所進行的振動測量大致有以下兩方面的內(nèi)容:1.振動基本參數(shù)的測量,測量振動構(gòu)件上某點的位移、速度、加速度、頻率和相位,用于識別該構(gòu)件的運動狀態(tài)是否正常。2.結(jié)構(gòu)和部件的動態(tài)特性測量,這種測量方式以某種激振力

2、作用在被測體上,使被測件產(chǎn)生受迫振動,測量輸入(激振力和輸出(被測體振動響應(yīng),從而確定被測體的固有頻率、振型等動態(tài)參數(shù)。簡諧振動的運動方程,速度,加速度1、運動方程從簡諧振動的特點出發(fā),可得到其運動方程x m k dt x d a makx F =22 022=+x m k dt x d 令0222=+x dtx d 積分得cos(o t A x +=從運動學(xué)觀點,若物體離開平衡位置的位移隨時間變化的規(guī)律是正弦或余弦的函數(shù),它就作簡諧振動。 在阻力作用下的彈簧振子受力:運動方程:tx kx t x m d d d d 22=引入阻尼因子m2=固有頻率m k =00d d 2d d 2022=+

3、x tx t x 在小阻尼條件下,微分方程的解為:(0<''cos(e 00+=t A x t '= 其中阻力kxf F 彈性恢復(fù)力 阻尼振動的三種情形: =0>0<O欠阻尼過阻尼臨界阻尼通過控制阻尼的大小,以滿足不同實際需要。 Ø強迫振動和共振物體在周期性外力的持續(xù)作用下發(fā)生的振動稱為受迫振動。 物體所受驅(qū)動力:tF F cos 0=運動方程:t F tx kx t x m cos d d d d 022+=設(shè)mk =20m 2 =t mF x t x t x cos d d 2d d 02022=+ 對于阻尼較小的情形,運動方程之解表為:

4、cos(0 +t A x 衰減項穩(wěn)態(tài)項經(jīng)過一段時間后,衰減項忽略不計,僅考慮穩(wěn)態(tài)項。 cos(0+=t A x 22222004(+=m F A 22002tg = 第三章振動信號測取技術(shù)機械設(shè)備故障診斷與醫(yī)學(xué)診斷有許多相似之處,機械設(shè)備出現(xiàn)故障(隱患時,會反映出各種征兆,諸如振動、溫度、壓力等信號的變化。但不是所有信號對任何故障隱患都很敏感,如對齒輪箱來說,若是軸承出現(xiàn)破損,振動信號的變化要比溫度信號敏感;若是潤滑不足,則溫度信號就比振動信號敏感。這就是說設(shè)備在不同的運行狀態(tài)下(故障也是一類運行狀態(tài),其特征信息的敏感程度是不同的。特征信息的獲取,不僅與所選擇的信號內(nèi)容有關(guān),而且與傳感器的類型

5、、傳感器的精度和測點位置有關(guān)。 第三章振動信號測取技術(shù)基本內(nèi)容3.1 加速度傳感器3.2 速度傳感器3.3 電渦流傳感器3.4 結(jié)構(gòu)的激振方法3.5 傳感器的校準與選用3.6 信號預(yù)處理3.7 傳輸中的抗干擾技術(shù)3.8 模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量3.9 監(jiān)測與診斷系統(tǒng)的組成與工作程序 3.1 加速度傳感器某些物質(zhì)如石英晶體,在受到 沖擊性外力作用后,不僅幾何尺寸發(fā)生變化,而且其內(nèi)部發(fā)生極化,相對的表面出現(xiàn)電荷,形成電場。外力消失后,又恢復(fù)原狀。這種現(xiàn)象叫做壓電效應(yīng)。將這種物質(zhì)置于電場中,其幾何尺寸也會發(fā)生變化,叫做電致伸縮效應(yīng)。多數(shù)人工壓電陶瓷的壓電常數(shù)比石英晶體大數(shù)百倍,也就是說靈敏度要高得多。 3

6、.1.1 壓電式加速度傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 圖32 壓電式加速度計a中心壓縮型b環(huán)形剪切型c三角剪切型 3.1.2 壓電式加速度傳感器的測量電路由于電荷是非常微弱的量,且因為漏電阻的存在,使之不能傳輸較長的距離。通常廠家提供的專用低噪聲電纜只有35米,最長不過10米。因此需要在被測設(shè)備附近布置前置放大器,將電荷量放大數(shù)千倍后,再傳輸給顯示計量儀表。前置放大器電路有兩種形式:其一是電阻反饋的電壓放大器,另一種是電容反饋的電荷放大器。電荷放大器是工業(yè)測量現(xiàn)場使用最多的前置放大器。但電路復(fù)雜,數(shù)千倍的放大倍數(shù),對各級放大器的性能穩(wěn)定性提出了極高的要求,因而價格較貴。 目前,新型的壓電式加速度傳感器采用了

7、內(nèi)置IC電路的方案,由于內(nèi)部空間極小,內(nèi)置IC電路實際完成阻抗變換的功能,需一個20mA的恒流源對其供電。測量電路如圖33所示?？梢詫?nèi)置IC電路看成一個隨加速度值變動的電阻,加速度值升高,電阻圖33 ICP型加速度計測量電路值也線性升高,由于恒電流供電,20mA電流不能通過儀表端的隔直電容,通過變電阻的電流是常數(shù),因此在變電阻的兩端產(chǎn)生電壓變化,這個電壓因此也隨加速度變化。變化的電壓可以通過隔直電容輸入給放大器A,最后輸出測量電壓。需要注意的是,隔直電容與后面的電阻構(gòu)成一個高通濾波器,因此電容C與電阻R的值決定了該測量系統(tǒng)頻率響應(yīng)特性曲線的最低信號頻率。 3.1.3 壓電式加速度傳感器的安裝

8、要求幅頻特性曲線告訴我們,測量裝置對信號中不同的頻率波形有不同的放大倍數(shù)。為了測得的電信號波形能真實地復(fù)現(xiàn)振動波形,就必需使(1所測信號中最高的頻率位于幅頻特性曲線上的水平段。為此,要使安裝后的加速度計特性具有足夠高的共振頻率。圖34 加速度計的幅頻特性圖3_4的左邊是幅頻特性曲線,它反映信號的頻率在1Hz到3KHz這一段,加速度計能比較好的復(fù)現(xiàn)信號的波形。 3.1.3 壓電式加速度傳感器的安裝要求共振頻率與壓電式加速度傳 感器的固定狀況有關(guān),壓電式加速度傳感器出廠時給出的幅頻曲線是在剛性連接的情況下得到的,如(2盡量采用鋼螺栓固定。此外,低噪聲專用電纜的敷設(shè)也要注意。對于內(nèi)置IC的集成加速度

9、傳感器,由于恒流供電阻抗變換方式,對電纜的敷設(shè)要求不高。但非集成式加速度傳感器,因電纜與機殼構(gòu)成耦合電容,是電壓干擾的進入通道,所以要求該電容不隨機殼的振動而變化。因此(3電纜必需緊貼機殼固定,使耦合電容值最小且不變。 加速度傳感器的其他用途目前最新IBM Thinkpad手提電腦里就內(nèi)置了加速度傳感器,能夠動態(tài)的監(jiān)測出筆記本在使用中的振動,并根據(jù)這些振動數(shù)據(jù),系統(tǒng)會智能的選擇關(guān)閉硬盤還是讓其繼續(xù)運行,這樣可以最大程度的保護由于振動,比如顛簸的工作環(huán)境,或者不小心摔了電腦所造成的硬盤損害,最大程度的保護里面的數(shù)據(jù)。另外一個用處就是目前用的數(shù)碼相機和攝像機里,也有加速度傳感器,用來檢測拍攝時候的

10、手部的振動,并根據(jù)這些振動,自動調(diào)節(jié)相機的聚焦。 選購加速度傳感器·模擬輸出vs數(shù)字輸出:這個是最先需要考慮的。這個取決于你系統(tǒng)中和加速度傳感器之間的接口。一般模擬輸出的電壓和加速度是成比例的,比如2.5V對應(yīng)0g的加速度,2.6V對應(yīng)于0.5g的加速度。數(shù)字輸出一般使用脈寬調(diào)制(PWM信號。如果你使用的微控制器只有數(shù)字輸入,比如BASIC Stamp,那你就只能選擇數(shù)字輸出的加速度傳感器了,但是問題是你必須占用額外的一個時鐘單元用來處理PWM信號,同時對處理器也是一個不小的負擔(dān)。如果你使用的微控制器有模擬輸入口,比如PIC/AVR/OOPIC,你可以非常簡單的使用模擬接口的加速度傳

11、感器,所需要的就是在程序里加入一句類似“acceleration=read_adc(”的指令,而且處理此指令的速度只要幾微秒。·最大測量值:如果你只要測量機器人相對于地面的傾角,那一個±1.5g加速度傳感器就足夠了。但是如果你需要測量機器人的動態(tài)性能,±2g也應(yīng)該足夠了。要是你的機器人會有比如突然啟動或者停止的情況出現(xiàn),那你需要一個±5g的傳感器。·靈敏度:一般來說,越靈敏越好。越靈敏的傳感器對一定范圍內(nèi)的加速度變化更敏感,輸出電壓的變化也越大,這樣就比較容易測量,從而獲得更精確的測量值。·帶寬:這里的帶寬實際上指的是刷新率。也就是說

12、每秒鐘,傳感器會產(chǎn)生多少次讀數(shù)。對于一般只要測量傾角的應(yīng)用,50HZ的帶寬應(yīng)該足夠了,但是對于需要進行動態(tài)性能,比如振動,你會需要一個具有上百HZ帶寬的傳感器。 3.2 速度傳感器速度傳感器又稱為磁電式變換器,有時也叫作“電動力式變換器”或“感應(yīng)式變換器”,它利用電磁感應(yīng)原理,將運動速度轉(zhuǎn)換成線圈中的感應(yīng)電勢輸出。它的工作不需要電源,而是直接從被測物體吸取機械能量并轉(zhuǎn)換成電信號輸出,是一種典型的發(fā)生器型變換器。由于它的輸出功率較大,因而大大簡化了后續(xù)電路,且性能穩(wěn)定,又具有一定的工作帶寬(一般為101000Hz,所以獲得了較普遍的應(yīng)用。磁電式速度傳感器有絕對式和相對式兩種,前者測量被測對象的絕

13、對振動速度(相對地球的速度,后者測量兩個運動部件之間的相對振動速度。 3.2.1 磁電式絕對速度傳感器圖36 磁電式絕對速度傳感器1彈簧片、2殼體、3阻尼環(huán)、4永磁鐵、5線圈、6心軸、7彈簧銅制的阻尼環(huán)一方面可增加慣性系統(tǒng)的質(zhì)量,降低固有頻率;另一方面又利用閉合銅環(huán)在磁場中運動時所產(chǎn)生的磁阻尼力,使振動系統(tǒng)具有合理的阻尼,從而減小共振對測量精度的影響。第二章機械振動及信號 3.2.2 磁電式相對速度傳感器 圖37 磁電式絕對速度傳感器 1殼體、2心軸殼體、3彈簧片、4永磁鐵、5線圈、6彈簧片、7引出線 21 第二章機械振動及信號 3.2.3 磁電式速度傳感器的選用 在選擇速度傳感器時首先要(1注意傳感器的最低工作頻率，它告訴我們被 測設(shè)備的頻譜圖中低于這個頻率的信號是失真的，可信度低。其次